前緣保護膜對風電葉片翼型氣動性能的影響研究

文|毛曉娥，李成良，任旺

葉片是風力發電機組的主要部件之一，其氣動性能直接影響著風力發電機組的發電效率。由于葉片長期運行在惡劣的環境中，前緣極易出現腐蝕。隨著海上風電逐步發展，運行環境更為惡劣，葉片前緣更易發生腐蝕，這會導致葉片升力下降、阻力增加，進而使葉片氣動性能下降，影響發電性能。如果葉片前緣腐蝕得不到及時處理，隨著時間的推移腐蝕程度加劇，發電量不斷降低，最終會給風電運營商帶來巨大的經濟損失。

為了保護葉片前緣，提高其使用壽命，應采取一定的保護措施，目前常用的兩種方法為涂裝前緣保護漆與粘貼前緣保護膜。前緣保護膜有一定的厚度，在完成涂裝的葉片前緣粘貼保護膜，會改變葉片截面外形輪廓，進而改變截面翼型形狀，從而影響葉片的氣動性能。

因不同厚度與寬度的前緣保護膜對葉片截面輪廓的影響不同，即對轉化成標準翼型后的氣動性能影響也不同。本文將分別對目前常用前緣保護膜的厚度、寬度對翼型氣動性能的影響進行研究，以期找出厚度、寬度對翼型性能的影響規律。

圖1 轉換后的截面標準翼型幾何外形

前緣保護膜粘貼模擬

本文選取一款約60米長度的葉片進行研究。為了研究前緣保護膜對葉片氣動性能的影響，對葉片進行粘貼前緣保護膜模擬，然后將截面輪廓轉化為標準翼型進行氣動性能計算。本文僅對相對厚度18%與21%翼型截面粘貼前緣保護膜后的性能進行計算分析。18%與21%相對厚度處的葉片截面轉化成標準翼型后的幾何外形如圖1所示。

前緣保護膜寬度對翼型的影響

在本節確定前緣保護膜厚度為0.36mm，選取152mm、254mm、305mm三種寬度進行計算分析。計算采用了ECN針對風電機組翼型專門開發的程序RFoil。該程序在XFoil的基礎上對邊界層方程進行了修正，并考慮了由于旋轉導致的三維徑向流動效應，對失速后性能的預測更加準確，廣泛用于風電機組翼型的氣動特性計算，并得到了大量驗證。

一、對氣動性能的影響

升力系數、阻力系數、升阻比是評價翼型性能的基本指標。圖2與圖3所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜寬度下的升力系數、阻力系數、升阻比性能對比。

對于18%相對厚度翼型，由圖2（a）可知，前緣保護膜寬度對翼型阻力系數的影響比升力系數大，進一步導致了升阻比的變化。隨著前緣保護膜寬度的增加，在一定的攻角范圍內，阻力系數減小，但比沒有前緣保護膜翼型的阻力大；升力系數增加，但比沒有前緣保護膜翼型的升力系數小。由圖2（b）可知，最大升阻比隨著前緣保護膜寬度的增加而增加，且大于沒有前緣保護膜翼型的最大升阻比。

對于21%相對厚度翼型，由圖3（a）可知，前緣保護膜寬度對翼型阻力系數的影響比升力系數大。在一定的攻角范圍內，寬度305mm的阻力系數較寬度254mm的小，寬度152mm的阻力系數最小，但均比沒有前緣保護膜翼型的阻力大；寬度305mm的升力系數比寬度254mm的大，寬度152mm的升力系數最大，但均比沒有前緣保護膜翼型的升力系數小。由圖3（b）可知，寬度152mm的最大升阻比較寬度254mm的大，寬度305mm的最大。

二、對邊界層參數影響

翼型邊界層參數主要包含壓力系數、摩擦力系數、邊界層位移厚度（以dst表示）、邊界層動量損失厚度（以tet表示）、H（dst與tet比值）。圖4與圖5所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜寬度下對邊界層參數影響情況的對比。

從圖4（a）－（d）均可看出，當X/c在0.1～0.2范圍附近時，每種寬度下前緣保護膜對應翼型的邊界層參數曲線均有波動，波動位置為前緣保護膜粘貼結束的位置，可見該位置為發生轉捩的位置。前緣保護膜寬度為152mm、254mm、305mm時，轉捩位置X/c分別為0.09、0.16、0.21。

從圖4（a）（縱坐標軸上半部分表示吸力面，下半部分表示壓力面）可以看出，吸力面在X/c為0.09、0.16、0.21時有小的跳躍，壓力面在X/c為0.56時發生跳躍，這是由于轉捩的發生，流動由層流向湍流過渡的結果。

圖2 前緣保護膜寬度對18%相對厚度翼型氣動性能影響

圖3 前緣保護膜寬度對21%相對厚度翼型氣動性能影響

圖4 前緣保護膜寬度對18%相對厚度翼型邊界層參數影響

從圖4（b）可以看出，在前緣保護膜的結束位置發生了轉捩，這使得壁面剪應力減小，但并未減小到0，因此沒有流動分離產生。

從圖4（c）可以看出，在后緣附近，吸力側由于正壓力梯度增加導致位移厚度增加，壓力側由于壓力梯度減小導致位移厚度減小。

從圖4（d）可以看出，X/c在0.1～0.2范圍附近時，三種寬度前緣保護膜對應的H曲線均有波動，進一步說明了在波動位置有強制轉捩點的存在。

從圖5（a）－（d）均可看出，當X/c在0～0.2范圍附近、前緣保護膜寬度為152mm、254mm、305mm時，由于強制轉捩點的存在，前緣保護膜對應翼型的邊界層參數曲線均有波動，波動位置X/c分別為0.06、0.11、0.13。

前緣保護膜厚度對翼型的影響

在本節確定前緣保護膜寬度為254mm，厚度選取0.36mm與1mm兩種規格進行計算分析。

一、對氣動性能的影響

圖6與圖7所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜厚度下的升力系數、阻力系數、升阻比性能對比。

對于18%相對厚度翼型，在前緣保護膜寬度一定時，由圖6（a）可知，在一定的攻角范圍內，隨著前緣保護膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且對阻力影響較大。由圖6（b）可知，隨著前緣保護膜厚度的增加，最大升阻比降低，且最大升阻比對應的攻角減小。

圖5 前緣保護膜寬度對21%相對厚度翼型邊界層參數影響

圖6 前緣保護膜厚度對18%相對厚度翼型氣動性能影響

圖7 前緣保護膜厚度對21%相對厚度翼型氣動性能影響

對于21%相對厚度翼型，在前緣保護膜寬度一定時，由圖7（a）可知，在一定的攻角范圍內，隨著前緣保護膜厚度的增加，翼型的升力降低，阻力增加，且對阻力影響較大。由圖7（b）可知，隨著前緣保護膜厚度的增加，最大升阻比降低。

二、對邊界層參數影響

圖8與圖9所示分別為18%和21%厚度翼型在不同前緣保護膜厚度下邊界層參數的對比。

從圖8（a）－（d）均可看出，當X/c在0.16附近時，由于強制轉捩點的存在，邊界層參數曲線均有波動，由于前緣保護膜寬度相同而厚度不同，導致發生轉捩的位置相同，而對邊界層參數的影響不同。

從圖9（a）－（d）均可看出，當X/c在0.10附近時，由于強制轉捩點的存在，邊界層參數曲線均有波動，由于前緣保護膜寬度相同而厚度不同，導致發生轉捩的位置相同，而對邊界層參數的影響不同。

總結

本文通過對葉片粘貼不同寬度和不同厚度的前緣保護膜進行模擬，再將粘貼有前緣保護膜的葉片截面輪廓轉化為標準翼型進行氣動性能計算。分析18%和21%相對厚度翼型的氣動性能與邊界層參數計算結果，可得如下結論：

（1）在前緣保護膜厚度一定時，前緣保護膜寬度對翼型氣動性能的影響較小。

（2）在前緣保護膜寬度一定時，前緣保護膜厚度對翼型氣動性能的影響較大。

（3）通過翼型邊界層參數可知，在前緣保護膜邊緣位置發生了固定轉捩。